引言
在计算机系统中，内存（主存）是处理器直接访问的数据存储介质，承载着运行中的程序及其所需数据。内存管理是操作系统的核心功能之一，负责高效、安全地分配和使用有限的物理内存资源，为上层应用程序提供数据处理和存储支持服务。本笔记将重点探讨内存管理的基础概念、核心目标及其作为数据处理与存储支持服务的关键机制。
一、 内存管理的核心目标
内存管理旨在实现以下四个关键目标：
- 抽象（Abstraction）： 向进程提供独立的、连续的地址空间（逻辑地址空间），隐藏物理内存的细节，简化程序设计。
- 保护（Protection）： 确保每个进程只能访问其自身被分配的内存区域，防止进程间或用户程序与操作系统之间的非法访问，保障系统安全与稳定。
- 共享（Sharing）： 在受控的前提下，允许多个进程安全地访问同一块内存区域（如共享库代码、公共数据），以提高内存利用率和进程间通信效率。
- 高效利用（Efficient Utilization）： 通过动态分配、回收、覆盖等技术，最大化物理内存的利用率，支持运行比物理内存更大的程序，并提升系统整体性能。
二、 作为数据处理与存储支持服务的关键机制
内存管理通过一系列机制，为程序的数据处理与存储提供底层支持：
1. 地址绑定与寻址
程序中的指令和数据在编译、链接、加载和运行的不同阶段，其内存地址需要从符号地址逐步绑定到最终的物理地址。内存管理单元（MMU）负责在运行时将进程产生的逻辑地址（或虚拟地址）动态转换为物理地址，这一过程对应用程序完全透明。
2. 内存分配与回收
操作系统需要跟踪内存的使用状态（已分配/空闲），并采用特定策略（如连续分配的首次适应、最佳适应算法，或非连续分页/分段）为请求内存的进程分配合适的区域。当进程终止或释放内存时，系统需及时回收资源，并可能进行碎片整理（紧凑）。
3. 存储空间的逻辑组织
为满足不同程序的结构化需求，内存管理模型提供了不同的逻辑视图：
- 分页（Paging）： 将物理内存和逻辑地址空间均划分为固定大小的页/页框。它实现了非连续分配，有效减少外部碎片，是虚拟内存实现的基础。
- 分段（Segmentation）： 按照程序的逻辑模块（如代码段、数据段、堆栈段）划分地址空间。它支持更自然的程序结构视图，便于实现共享与保护，但可能产生外部碎片。
- 段页式（Segmentation with Paging）： 结合两者优点，先分段，段内再分页。
4. 存储保护与隔离
通过硬件寄存器（如基址/限长寄存器）或页表/段表项中的保护位（读/写/执行权限），操作系统确保进程在其被授权的地址空间内活动，任何越界或违规访问都将触发陷阱（如段错误），由操作系统处理。
5. 内存扩展与虚拟内存
当程序所需内存超过物理内存容量时，内存管理通过虚拟内存技术，利用磁盘空间作为后备存储，仅将当前活跃的“页”保留在内存中。当访问不在内存的页时，触发缺页中断，由操作系统负责将其从磁盘调入。这使得系统能够运行更大的程序，并提高多道程序设计的程度。
三、 基本内存管理方案概述
内存管理方案随着硬件发展而演进，主要分为：
- 连续内存分配： 早期方案，为每个进程分配一块连续的物理内存区域。包括单一连续分配、固定分区分配和动态分区分配。其核心问题是会产生外部碎片（分区之间无法利用的小块空闲区）。
- 非连续内存分配： 现代操作系统主流方案，允许进程的内存空间分散在物理内存的不同位置。主要包括分页和分段。它们有效解决了外部碎片问题（分页内部有少量内部碎片），并为实现虚拟内存和更灵活的内存共享与保护奠定了基础。
小结
内存管理（一）重点阐述了其作为操作系统核心支持服务的角色与目标。它通过地址转换、分配回收、逻辑组织、保护隔离以及虚拟内存等关键机制，为上层应用程序构建了一个安全、高效、易于使用的存储环境。理解这些基础概念是后续深入学习分页、分段、虚拟内存具体实现算法（如页面置换）及性能优化的前提。在接下来的笔记中，我们将详细探讨分页机制、页表结构、转换检测缓冲区（TLB）以及虚拟内存的具体实现。
